HAL Id: hal-01083897
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01083897
Submitted on 18 Nov 2014
HAL
is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire
HAL, estdestinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Influence de la température sur le comportement vibro-acoustique des alternateurs à griffes
Antoine Tan-Kim
To cite this version:
Antoine Tan-Kim. Influence de la température sur le comportement vibro-acoustique des alternateurs
à griffes. Journées JCGE’2014 - SEEDS, Jun 2014, Saint-Louis, France. �hal-01083897�
Influence de la température sur le comportement vibro- acoustique des alternateurs à griffes
Antoine TAN-KIM
Laboratoire d’Electromécanique de Compiègne Université de Technologie de Compiègne
60205 Compiègne Cedex, France antoine.tan-kim@utc.fr
RESUME – Le bruit acoustique des alternateurs automobiles est un point clé pour les futurs véhicules. Sa réduction requiert une approche multiphysique alliant électromagnétisme, vibro-acoustique et thermique. Dans cette optique, cet article présente l’influence de la température du stator sur le bruit acoustique d’un alternateur à griffes. Des résultats expérimentaux montrent qu’une augmentation de la température s’accompagne par une nette réduction de la puissance acoustique et une variation des fréquences des pics de bruit. Une analyse modale expérimentale du stator est réalisée pour expliquer ce phénomène. Un modèle est développé à partir de ces mesures afin de prédire les fréquences propres du stator bobiné à différentes températures.
ABSTRACT – Audible noise of automotive alternators is a key point for future cars. Its reduction requires a multiphysic approach including electromagnetic, vibro-acoustic and thermal aspects. In this perspective, this paper investigates the influence of stator temperature on the acoustic noise of a claw-pole alternator. Experimental results show a clear reduction of sound power level and change in noise peak frequencies with an increased temperature. An experimental modal analysis of the stator is carried out to explain this effect. Based on these measurements, a model is developed to predict the resonant frequencies of the wound stator at different temperatures.
MOTS-CLES – Bruit acoustique, alternateur à griffes, température, modélisation, bobinage.
Résumé détaillé
La majorité des études sur le bruit acoustique des machines électriques s’est concentrée sur les machines synchrones et asynchrones à flux radial [1], [2], [3]. Seuls quelques auteurs ont étudiées le bruit des machines synchrones à griffes [4], [5]. Les modèles multiphysiques pour la prédiction du bruit incluent principalement l’électromagnétisme et la vibro- acoustique. L’aspect thermique a été peu étudié malgré son importance, notamment pour l’alternateur automobile exposé à des températures sous capot pouvant excéder 120°C. Afin de mettre en évidence l’influence de la température sur le comportement vibro-acoustique des alternateurs à griffes, des mesures acoustiques sont d’abord réalisées puis complétées par une analyse modale expérimentale.
La puissance acoustique est mesurée dans deux conditions correspondant à des températures différentes (voir Figure 1).
A chaud, la température moyenne du bobinage est d’environ 120°C, à froid, elle varie de 30°C à 60°C. Les mesures de puissance acoustique pour ces deux conditions montrent clairement un niveau de bruit plus faible pour la mesure à chaud (voir Figure 2). La différence maximale entre ces deux mesures atteint 8 dB. Les fréquences des pics de bruit sont également modifiées.
Afin d’expliquer ces phénomènes, une analyse modale expérimentale du stator bobiné est effectuée tous les 20°C jusque 100°C. Les déformées mesurées correspondent aux modes radiaux 2, 3, 4 and 5 (voir Figure 3). La Figure 4 montre la somme des FRF (Frequency Response Functions, ratio entre l’accélération mesurée et la force de l’impact) pour chaque température. Entre 20°C et 100°C, les fréquences propres diminuent de 20% et les coefficients d’amortissements évoluent de 1% à 3%. Ces modifications des paramètres modaux du stator bobiné permettent d’expliquer les différences acoustiques.
A partir des mesures précédentes, un modèle du stator bobiné est développé pour chaque température. Compte tenu de la composition du stator (i.e. assemblage de tôles) et du bobinage constitué de fils de cuivre et de vernis, on modélise ces pièces avec des matériaux équivalents isotropes. Sur la plage de température étudiée, les paramètres matériaux du paquet de tôles stator sont considérés constants. Seul le matériau équivalent du bobinage est donc modifié en fonction de la température. Le module de Young équivalent du bobinage (voir Figure 5) atteint seulement 30% de sa valeur à 20°C. Avec ce modèle, les fréquences propres calculées sont corrélées à ±5% avec les mesures. Avec un unique modèle
corrélé à 20°C, les erreurs de fréquences à 100°C atteindraient 20%. Par conséquent, il est nécessaire de prendre en compte la température du bobinage dans le modèle afin d’obtenir une prédiction quantitative du niveau de bruit.
Figure 1 : Température moyenne des chignons (trait plein) et du paquet de fer stator (pointillé) à froid (bleu) et à chaud (rouge)
Figure 2 : Puissance acoustique d’un alternateur à griffes mesurée à froid (bleu) et à chaud (rouge)
Figure 3 : Déformées modales mesurées
Figure 4 : Somme des FRF radiales mesurées du stator bobiné à différentes températures
Figure 5 : Module de Young équivalent du modèle du bobinage stator en fonction de la température exprimée par rapport à la valeur à 20°C
Références
[1] J. F. Gieras, J. C. Lai, and C. Wang, Noise of polyphase electric motors. CRC Press, 2005.
[2] J. Le Besnerais, V. Lanfranchi, M. Hecquet, P. Brochet, and G. Friedrich, “Prediction of audible magnetic noise radiated by adjustable-speed drive induction machines,” Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 46, no. 4, pp. 1367–1373, July 2010.
[3] P. Pellerey, V. Lanfranchi, and G. Friedrich, “Coupled numerical simulation between electromagnetic and structural models. influence of the supply harmonics for synchronous machine vibrations,” Magnetics, IEEE Transactions on, vol. 48, no. 2, pp. 983–986, Feb 2012.
[4] I. Ramesohl, C. Kaehler, and G. Henneberger, “Influencing factors on acoustical simulations including manufacturing tolerances and numerical strategies,” in Electrical Machines and Drives, 1999. Ninth International Conference on (Conf. Publ. No. 468), 1999, pp. 142–146.
[5] W. Eversman, S. Burns, S. Pekarek, H. Bai, and J. Tichenor, “Noise generation mechanisms in claw pole alternators,” Journal of Sound and Vibration, vol. 283, no. 12, pp. 369 – 400, 2005.
